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JP7580596B2 - Electrolyte for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery including the same - Google Patents
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Electrolyte for lithium-sulfur battery and lithium-sulfur battery including the same Download PDF

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Description

本出願は、2021年6月3日付韓国特許出願第10-2021-0071883号に基づく優先権の利益を主張し、該当韓国特許出願の文献に開示されている全ての内容は本明細書の一部として組み込む。 This application claims the benefit of priority to Korean Patent Application No. 10-2021-0071883 dated June 3, 2021, and all contents disclosed in the documents of that Korean patent application are incorporated herein by reference.

本発明は、リチウム-硫黄電池用電解液及びそれを含むリチウム-硫黄電池に関する。 The present invention relates to an electrolyte for lithium-sulfur batteries and a lithium-sulfur battery containing the same.

二次電池が活用される範囲が小型の携帯型電子機器から中大型の電気自動車(Electric vehicle;EV)、エネルギー貯蔵装置(Energy Storage System、ESS)、電気船舶などに拡張するにつれ高容量、高エネルギー密度及び、長い寿命を有するリチウム二次電池に対する需要が急増している。 As the range of secondary battery applications expands from small portable electronic devices to medium and large electric vehicles (EVs), energy storage systems (ESSs), electric ships, etc., the demand for lithium secondary batteries with high capacity, high energy density and long life is rapidly increasing.

リチウム金属は理論的に3,860mAh/gの非常に高い比容量(Specific capacity)を有し、負極材として電位が低く、密度が非常に小さいという点で、電池の負極として使用しようとする様々な試みがなされてきた。 Lithium metal has a theoretically very high specific capacity of 3,860 mAh/g, and because it has a low potential and very low density as an anode material, various attempts have been made to use it as a battery anode.

なかでもリチウム-硫黄二次電池は、「S-S結合(Sulfur-Sulfur Bond)」を有する硫黄系列の物質を正極活物質であって、リチウム金属を負極活物質として用いる電池システムを意味する。前記正極活物質の主材料である硫黄は、低い原子当たりの重量を有しながらも資源が豊富で、需給が容易であるだけでなく、安価で電池の製造コストを下げることができ、毒性がなく環境に優しいという点で特性を有する。 In particular, a lithium-sulfur secondary battery refers to a battery system that uses a sulfur-based material having a "S-S bond (Sulfur-Sulfur Bond)" as the positive electrode active material and lithium metal as the negative electrode active material. Sulfur, the main material of the positive electrode active material, has low weight per atom and is abundant in resources, making it easy to supply and demand. It is also inexpensive, which can reduce battery manufacturing costs, and is non-toxic and environmentally friendly.

特に、リチウム-硫黄二次電池は理論放電容量が1,675mAh/g-sulfurであり、理論上では重量対比2,600Wh/kgの高いエネルギー貯蔵密度が具現できるため、現在研究されている他の電池システム(Ni-MH電池:450Wh/kg、Li-FeS電池:480Wh/kg、Li-MnO電池:1,000Wh/kg、Na-S電池:800Wh/kg)及びリチウムイオン電池(250Wh/kg)の理論エネルギー密度に比べて非常に高い数値を有するため現在まで開発されている中大型の二次電池市場において大いに注目されている。 In particular, the lithium-sulfur secondary battery has a theoretical discharge capacity of 1,675 mAh/g-sulfur and can theoretically realize a high energy storage density of 2,600 Wh/kg by weight. This is much higher than the theoretical energy density of other battery systems currently being researched (Ni-MH battery: 450 Wh/kg, Li-FeS battery: 480 Wh/kg, Li- MnO2 battery: 1,000 Wh/kg, Na-S battery: 800 Wh/kg) and lithium ion batteries (250 Wh/kg), and is therefore attracting much attention in the market for medium and large secondary batteries that are currently being developed.

前記リチウム-硫黄二次電池の寿命に影響を及ぼす要因としてリチウム負極の退化が挙げられ、これは正極活物質との反応や電解液との反応などが原因となって発生できる。前記負極の退化は結果的にデンドライトを形成させ、クーロン効率(Coulombic Efficiency, C.E)を低下させる問題点が指摘されてきた。特にデンドライトが一次元の形態で形成されると、気孔を含む分離膜を通じて内部短絡(Internal short circuit)が発生し、電解液の燃焼による安全や寿命減少の問題が発生できる。 One of the factors that affect the lifespan of the lithium-sulfur secondary battery is the degradation of the lithium negative electrode, which can occur due to reactions with the positive electrode active material and with the electrolyte. The degradation of the negative electrode can result in the formation of dendrites, which has been pointed out as a problem in that it reduces the Coulombic Efficiency (C.E.). In particular, if the dendrites are formed in a one-dimensional form, an internal short circuit can occur through the separator containing pores, which can cause safety issues and shorten the battery's lifespan due to the combustion of the electrolyte.

よって、前記デンドライト現象によるリチウム-硫黄電池の問題点を改善するために、負極表面に均一にリチウムを被覆(plating)及び剥離(stripping)させてデンドライトの形成を抑制するための研究が必要な実情である。 Therefore, in order to improve the problems of lithium-sulfur batteries caused by the dendrite phenomenon, research is needed to suppress the formation of dendrites by uniformly plating and stripping lithium from the surface of the negative electrode.

韓国公開特許第10-2019-0119963号公報Korean Patent Publication No. 10-2019-0119963

本発明者らは、前記問題を解決するために、リチウム-硫黄電池用電解液にジオキソラン系誘導体を添加し、電池の寿命及び効率を改善したリチウム-硫黄電池を提供しようとする。 To solve the above problems, the inventors aim to provide a lithium-sulfur battery with improved battery life and efficiency by adding a dioxolane derivative to the electrolyte for the lithium-sulfur battery.

本発明の第1の側面によると、
リチウム塩、有機溶媒及び添加剤を含むリチウム-硫黄電池用電解液であって、前記添加剤は下記化学式1で表される化合物を含む、リチウム-硫黄電池用電解液を提供する。
According to a first aspect of the present invention,
The present invention provides an electrolyte for a lithium-sulfur battery, comprising a lithium salt, an organic solvent, and an additive, the additive comprising a compound represented by the following Chemical Formula 1:

[化学式1]
[Chemical Formula 1]

前記化学式1において、R1ないしR6は互いに同一であるか、または異なって、それぞれ独立して水素;重水素;置換または非置換したC1ないしC60のアルキル基;置換または非置換されたC6ないしC60のアリール基;置換または非置換したC1ないしC60のアルコキシ基;及び置換または非置換したC6ないしC60のアリールオキシ基からなる群から選択され、R1ないしR6の少なくとも1つはHではない。 In the above formula 1, R1 to R6 are the same or different and are each independently selected from the group consisting of hydrogen; deuterium; a substituted or unsubstituted C1 to C60 alkyl group; a substituted or unsubstituted C6 to C60 aryl group; a substituted or unsubstituted C1 to C60 alkoxy group; and a substituted or unsubstituted C6 to C60 aryloxy group, and at least one of R1 to R6 is not H.

本発明の一具体例において、前記R1ないしR6は互いに同一であるか、または異なって、それぞれ独立して水素;重水素;置換または非置換したC1ないしC20のアルキル基;置換または非置換したC6ないしC20のアリール基;置換または非置換したC1ないしC20のアルコキシ基;及び置換または非置換したC6ないしC20のアリールオキシ基からなる群から選択され、前記R1ないしR6の少なくとも1つはHでなくてもよい。 In one embodiment of the present invention, R1 to R6 are the same or different and are each independently selected from the group consisting of hydrogen; deuterium; a substituted or unsubstituted C1 to C20 alkyl group; a substituted or unsubstituted C6 to C20 aryl group; a substituted or unsubstituted C1 to C20 alkoxy group; and a substituted or unsubstituted C6 to C20 aryloxy group, and at least one of R1 to R6 may not be H.

本発明の一具体例において、前記R1ないしR6は互いに同一であるか、または異なって、それぞれ独立して水素;重水素;置換または非置換したC1ないしC10のアルキル基からなる群から選択され、前記R1ないしR6の少なくとも1つはHでなくてもよい。 In one embodiment of the present invention, R1 to R6 are the same or different and are each independently selected from the group consisting of hydrogen; deuterium; and substituted or unsubstituted C1 to C10 alkyl groups, and at least one of R1 to R6 may not be H.

本発明の一具体例において、R1ないしR6は互いに同一であるか、または異なって、それぞれ独立して水素;重水素;メチル基;エチル基;プロピル基;n-プロピル基;イソプロピル基;ブチル基;n-ブチル基;イソブチル基;tert-ブチル基;sec-ブチル基;1-メチル-ブチル基;1-エチル-ブチル基;ペンチル基;n-ペンチル基;イソペンチル基;ネオペンチル基;tert-ペンチル基;ヘキシル基;n-ヘキシル基;1-メチルペンチル基;2-メチルペンチル基;4-メチル-2-ペンチル基;3,3-ジメチルブチル基;2-エチルブチル基;からなる群から選択され、前記R1ないしR6の少なくとも1つはHでなくてもよい。 In one embodiment of the present invention, R1 to R6 are the same or different and are each independently selected from the group consisting of hydrogen, deuterium, methyl, ethyl, propyl, n-propyl, isopropyl, butyl, n-butyl, isobutyl, tert-butyl, sec-butyl, 1-methyl-butyl, 1-ethyl-butyl, pentyl, n-pentyl, isopentyl, neopentyl, tert-pentyl, hexyl, n-hexyl, 1-methylpentyl, 2-methylpentyl, 4-methyl-2-pentyl, 3,3-dimethylbutyl, and 2-ethylbutyl, and at least one of R1 to R6 may not be H.

本発明の一具体例において、前記化学式1で表される化合物は、2-メチル-1,3-ジオキソラン(2-methyl-1,3-dioxolane)、4-メチル-1,3-ジオキソラン(4-methyl-1,3-dioxolane)、2-エチル-2-メチル-1,3-ジオキソラン(2-ethyl-2-methyl-1,3-dioxolane)、2,2-ジメチル-1,3-ジオキソラン(2,2-dimethyl-1,3-dioxolane)、2,2,4-トリメチル-1,3-ジオキソラン(2,2,4-trimethyl-1,3-dioxolane)及びこれらの組合せからなる群から選択されるものである。 In one embodiment of the present invention, the compound represented by Chemical Formula 1 is selected from the group consisting of 2-methyl-1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, 2-ethyl-2-methyl-1,3-dioxolane, 2,2-dimethyl-1,3-dioxolane, 2,2,4-trimethyl-1,3-dioxolane, and combinations thereof.

本発明の一具体例において、前記リチウム-硫黄電池用電解液は、電解液の総重量対比0.1ないし5重量%の前記化学式1で表される化合物を含むことができる。 In one embodiment of the present invention, the electrolyte for the lithium-sulfur battery may contain the compound represented by Chemical Formula 1 in an amount of 0.1 to 5 wt % based on the total weight of the electrolyte.

本発明の一具体例において、前記化学式1で表される化合物は、2-メチル-1,3-ジオキソラン(2-methyl-1,3-dioxolane)であり、前記リチウム-硫黄電池用電解液は電解液の総重量対比0.1ないし5重量%の前記化学式1で表される化合物を含むことができる。 In one embodiment of the present invention, the compound represented by Chemical Formula 1 is 2-methyl-1,3-dioxolane, and the lithium-sulfur battery electrolyte may contain 0.1 to 5 wt % of the compound represented by Chemical Formula 1 based on the total weight of the electrolyte.

本発明の第2の側面によると、
正極;負極;前記正極と負極との間に介在する分離膜;及び前記電解液を含むリチウム-硫黄電池を提供する。
According to a second aspect of the present invention,
The present invention provides a lithium-sulfur battery comprising: a positive electrode; a negative electrode; a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode; and the electrolyte.

本発明に係るリチウム-硫黄電池は、ジオキソラン系誘導体を電解液内添加剤として含み、リチウム系金属である負極表面において開環重合反応(Ring opening polymerization)を通じて保護膜を形成し、リチウムデンドライトの生成を抑制し、電池寿命とクーロン効率を向上させる効果を有することができる。 The lithium-sulfur battery according to the present invention contains a dioxolane derivative as an additive in the electrolyte, and forms a protective film on the surface of the negative electrode, which is a lithium-based metal, through ring-opening polymerization, suppressing the formation of lithium dendrites and improving the battery life and coulombic efficiency.

本発明により提供される具体例は、下記の説明によって全て達成できる。下記の説明は本発明の好ましい具体例を記述することとして理解されるべきであり、本発明が必ずしもこれに限定されるものではないことを理解すべきである。 All of the specific examples provided by the present invention can be achieved by the following description. The following description should be understood as describing preferred specific examples of the present invention, and it should be understood that the present invention is not necessarily limited thereto.

本明細書において用いられている用語「ポリスルフィド」は、「ポリスルフィドイオン(S 2-、x=8、6、4、2)」及び「リチウムポリスルフィド(LiまたはLiS 、x=8、6、4、2)」を全て含む概念である。 The term "polysulfide" used in this specification is a concept which includes both "polysulfide ions (S x 2- , x=8, 6, 4, 2)" and "lithium polysulfides (Li 2 S x or LiS x - , x=8, 6, 4, 2)."

本明細書において使用される用語「置換」は、化合物の炭素原子に結合した水素原子が他の置換基に変わることを意味し、置換される位置は水素原子が置換される位置、すなわち、置換基が置換可能な位置であれば限定されず、2以上置換される場合、2以上の置換基は互いに同一であるか相違である。 As used herein, the term "substituted" means that a hydrogen atom bonded to a carbon atom of a compound is replaced with another substituent, and the position of the substitution is not limited to the position at which a hydrogen atom is replaced, i.e., a position at which a substituent can be substituted, and when two or more substitutions are made, the two or more substituents may be the same or different.

本明細書において用いられている「置換または非置換」の任意の置換基としては重水素;ハロゲン;シアノ基;炭素数1ないし60のアルキル基;炭素数2ないし60のアルケニル基;炭素数2ないし60のアルキニル基;炭素数3ないし60のシクロアルキル基;炭素数2ないし60のヘテロシクロアルキル基;炭素数5ないし60のアリール基;炭素数2ないし60のヘテロアリール基;炭素数1ないし60のアルコキシ基;炭素数5ないし60のアリールオキシ基;炭素数1ないし60のアルキルシリル基;及び炭素数6ないし60のアリールシリル基からなる群から選択された1以上の置換基であることができ、置換基が複数の場合には互いに同一であるか相違である。 As used herein, the optional substituents of "substituted or unsubstituted" may be one or more substituents selected from the group consisting of deuterium; halogen; cyano group; alkyl group having 1 to 60 carbon atoms; alkenyl group having 2 to 60 carbon atoms; alkynyl group having 2 to 60 carbon atoms; cycloalkyl group having 3 to 60 carbon atoms; heterocycloalkyl group having 2 to 60 carbon atoms; aryl group having 5 to 60 carbon atoms; heteroaryl group having 2 to 60 carbon atoms; alkoxy group having 1 to 60 carbon atoms; aryloxy group having 5 to 60 carbon atoms; alkylsilyl group having 1 to 60 carbon atoms; and arylsilyl group having 6 to 60 carbon atoms. When there are multiple substituents, they may be the same or different.

リチウム-硫黄電池用電解液
本発明によるリチウム塩、有機溶媒及び添加剤を含むリチウム-硫黄電池用電解液であって、前記添加剤は、下記化学式1で表される化合物を含む、リチウム-硫黄電池用電解液を提供する。
Electrolyte for Lithium-Sulfur Battery According to the present invention, there is provided an electrolyte for a lithium-sulfur battery, comprising a lithium salt, an organic solvent, and an additive, wherein the additive comprises a compound represented by the following Chemical Formula 1:

[化学式1]
[Chemical Formula 1]

前記化学式1において、
R1ないしR6は互いに同一であるか、または異なって、それぞれ独立に水素;重水素;置換または非置換したC1ないしC60のアルキル基;置換または非置換したC6ないしC60のアリール基;置換または非置換したC1ないしC60のアルコキシ基;及び置換または非置換したC6ないしC60のアリールオキシ基からなる群から選択され、前記R1ないしR6の少なくとも1つはHではない。
In the above Chemical Formula 1,
R1 to R6 are the same or different and are each independently selected from the group consisting of hydrogen; deuterium; a substituted or unsubstituted C1 to C60 alkyl group; a substituted or unsubstituted C6 to C60 aryl group; a substituted or unsubstituted C1 to C60 alkoxy group; and a substituted or unsubstituted C6 to C60 aryloxy group, wherein at least one of R1 to R6 is not H.

前記リチウム-硫黄電池用電解液に対して添加剤として前記化学式1で表される化合物であるジオキソラン系誘導体(dioxolane derivatives)が含まれることで、負極として用いられるリチウム系金属表面において開環重合反応(Ring opening polymerization)を通じて負極保護膜が形成され、デンドライトの形成を低減し、効率的な被覆(plating)及び剥離(stripping)過程を通じて電池の寿命及び効率特性を改善する効果が表れる。 The lithium-sulfur battery electrolyte contains dioxolane derivatives, which are compounds represented by Chemical Formula 1, as an additive, and thus a negative electrode protective film is formed on the surface of the lithium-based metal used as the negative electrode through ring opening polymerization, reducing the formation of dendrites and improving the life and efficiency characteristics of the battery through efficient plating and stripping processes.

前記R1ないしR6は互いに同一であるか、または異なって、それぞれ独立に水素;重水素;置換または非置換したC1ないしC60のアルキル基;置換または非置換したC6ないしC60のアリール基;置換または非置換したC1ないしC60のアルコキシ基;及び置換または非置換したC6ないしC60のアリールオキシ基からなる群から選択され、前記R1ないしR6の少なくとも1つはHでなくてもよい。 R1 to R6 are the same or different and are each independently selected from the group consisting of hydrogen; deuterium; a substituted or unsubstituted C1 to C60 alkyl group; a substituted or unsubstituted C6 to C60 aryl group; a substituted or unsubstituted C1 to C60 alkoxy group; and a substituted or unsubstituted C6 to C60 aryloxy group, and at least one of R1 to R6 may not be H.

前記R1ないしR6は互いに同一であるか、または異なって、それぞれ独立に水素;重水素;置換または非置換したC1ないしC40のアルキル基;置換または非置換したC6ないしC40のアリール基;置換または非置換したC1ないしC40のアルコキシ基;及び置換または非置換したC6ないしC40のアリールオキシ基からなる群から選択され、前記R1ないしR6の少なくとも1つはHでなくてもよい。 R1 to R6 are the same or different and are each independently selected from the group consisting of hydrogen; deuterium; a substituted or unsubstituted C1 to C40 alkyl group; a substituted or unsubstituted C6 to C40 aryl group; a substituted or unsubstituted C1 to C40 alkoxy group; and a substituted or unsubstituted C6 to C40 aryloxy group, and at least one of R1 to R6 may not be H.

前記R1ないしR6は互いに同一であるか、または異なって、それぞれ独立に水素;重水素;置換または非置換したC1ないしC20のアルキル基;置換または非置換したC6ないしC20のアリール基;置換または非置換したC1ないしC20のアルコキシ基;及び置換または非置換したC6ないしC20のアリールオキシ基からなる群から選択され、前記R1ないしR6の少なくとも1つはHでなくてもよい。 R1 to R6 are the same or different and are each independently selected from the group consisting of hydrogen; deuterium; a substituted or unsubstituted C1 to C20 alkyl group; a substituted or unsubstituted C6 to C20 aryl group; a substituted or unsubstituted C1 to C20 alkoxy group; and a substituted or unsubstituted C6 to C20 aryloxy group, and at least one of R1 to R6 may not be H.

前記R1ないしR6は互いに同一であるか、または異なって、それぞれ独立に水素;重水素;置換または非置換したC1ないしC10のアルキル基;置換または非置換したC6ないしC10のアリール基;置換または非置換したC1ないしC10のアルコキシ基;及び置換または非置換したC6ないしC10のアリールオキシ基からなる群から選択され、前記R1ないしR6の少なくとも1つはHでなくてもよい。 R1 to R6 are the same or different and are each independently selected from the group consisting of hydrogen; deuterium; a substituted or unsubstituted C1 to C10 alkyl group; a substituted or unsubstituted C6 to C10 aryl group; a substituted or unsubstituted C1 to C10 alkoxy group; and a substituted or unsubstituted C6 to C10 aryloxy group, and at least one of R1 to R6 may not be H.

前記R1ないしR6は互いに同一であるか、または異なって、それぞれ独立に水素;重水素;置換または非置換したC1ないしC10のアルキル基;置換または非置換したC6ないしC10のアリール基;及び置換または非置換したC1ないしC10のアルコキシ基;からなる群から選択され、前記R1ないしR6の少なくとも1つはHでなくてもよい。 R1 to R6 are the same or different and are each independently selected from the group consisting of hydrogen; deuterium; a substituted or unsubstituted C1 to C10 alkyl group; a substituted or unsubstituted C6 to C10 aryl group; and a substituted or unsubstituted C1 to C10 alkoxy group; and at least one of R1 to R6 may not be H.

前記R1ないしR6は互いに同一であるか、または異なって、それぞれ独立に水素;重水素;置換または非置換したC1ないしC10のアルキル基;置換または非置換したC6ないしC10のアリール基;及び置換または非置換したC6ないしC10のアリールオキシ基からなる群から選択され、前記R1ないしR6の少なくとも1つはHでなくてもよい。 R1 to R6 are the same or different and are each independently selected from the group consisting of hydrogen; deuterium; a substituted or unsubstituted C1 to C10 alkyl group; a substituted or unsubstituted C6 to C10 aryl group; and a substituted or unsubstituted C6 to C10 aryloxy group, and at least one of R1 to R6 may not be H.

前記R1ないしR6は互いに同一であるか、または異なって、それぞれ独立に水素;重水素;置換または非置換したC1ないしC10のアルキル基;置換または非置換したC1ないしC10のアルコキシ基;及び置換または非置換したC6ないしC10のアリールオキシ基からなる群から選択され、前記R1ないしR6の少なくとも1つはHでなくてもよい。 R1 to R6 are the same or different and are each independently selected from the group consisting of hydrogen; deuterium; substituted or unsubstituted C1 to C10 alkyl groups; substituted or unsubstituted C1 to C10 alkoxy groups; and substituted or unsubstituted C6 to C10 aryloxy groups, and at least one of R1 to R6 may not be H.

前記R1ないしR6は互いに同一であるか、または異なって、それぞれ独立に水素;重水素;置換または非置換したC6ないしC10のアリール基;置換または非置換したC1ないしC10のアルコキシ基;及び置換または非置換したC6ないしC10のアリールオキシ基からなる群から選択され、前記R1ないしR6の少なくとも1つはHでなくてもよい。 R1 to R6 are the same or different and are each independently selected from the group consisting of hydrogen; deuterium; a substituted or unsubstituted C6 to C10 aryl group; a substituted or unsubstituted C1 to C10 alkoxy group; and a substituted or unsubstituted C6 to C10 aryloxy group, and at least one of R1 to R6 may not be H.

前記R1ないしR6は互いに同一であるか、または異なって、それぞれ独立に水素;重水素;置換または非置換したC1ないしC10のアルキル基;及び置換または非置換したC6ないしC10のアリール基;からなる群から選択され、前記R1ないしR6の少なくとも1つはHでなくてもよい。 R1 to R6 are the same or different and are each independently selected from the group consisting of hydrogen; deuterium; substituted or unsubstituted C1 to C10 alkyl groups; and substituted or unsubstituted C6 to C10 aryl groups; and at least one of R1 to R6 may not be H.

前記R1ないしR6は互いに同一であるか、または異なって、それぞれ独立に水素;重水素;及び置換または非置換したC1ないしC10のアルキル基;からなる群から選択され、前記R1ないしR6の少なくとも1つはHでなくてもよい。 R1 to R6 are the same or different and are each independently selected from the group consisting of hydrogen; deuterium; and substituted or unsubstituted C1 to C10 alkyl groups; and at least one of R1 to R6 may not be H.

前記R1ないしR6は互いに同一であるか、または異なって、それぞれ独立に水素;重水素;メチル基;エチル基;プロピル基;n-プロピル基;イソプロピル基;ブチル基;n-ブチル基;イソブチル基;tert-ブチル基;sec-ブチル基;1-メチル-ブチル基;1-エチル-ブチル基;ペンチル基;n-ペンチル基;イソペンチル基;ネオペンチル基;tert-ペンチル基;ヘキシル基;n-ヘキシル基;1-メチルペンチル基;2-メチルペンチル基;4-メチル-2-ペンチル基;3,3-ジメチルブチル基;2-エチルブチル基;ヘプチル基;n-ヘプチル基;1-メチルヘキシル基;シクロペンチルメチル基;シクロヘキシルメチル基;オクチル基;n-オクチル基;tert-オクチル基;1-メチルヘプチル基;2-エチルヘキシル基;2-プロピルペンチル基;n-ノニル基;2,2-ジメチルヘプチル基;1-エチル-プロピル基;1,1-ジメチル-プロピル基;イソヘキシル基;2-メチルペンチル基;4-メチルヘキシル基;及び5-メチルヘキシル基;からなる群から選択され、前記R1ないしR6の少なくとも1つはHでなくてもよい。 R1 to R6 are the same or different and each independently represent hydrogen; deuterium; methyl; ethyl; propyl; n-propyl; isopropyl; butyl; n-butyl; isobutyl; tert-butyl; sec-butyl; 1-methyl-butyl; 1-ethyl-butyl; pentyl; n-pentyl; isopentyl; neopentyl; tert-pentyl; hexyl; n-hexyl; 1-methylpentyl; 2-methylpentyl; 4-methyl-2-pentyl; 3,3-dimethylbutyl; 2-ethyl butyl group; heptyl group; n-heptyl group; 1-methylhexyl group; cyclopentylmethyl group; cyclohexylmethyl group; octyl group; n-octyl group; tert-octyl group; 1-methylheptyl group; 2-ethylhexyl group; 2-propylpentyl group; n-nonyl group; 2,2-dimethylheptyl group; 1-ethyl-propyl group; 1,1-dimethyl-propyl group; isohexyl group; 2-methylpentyl group; 4-methylhexyl group; and 5-methylhexyl group; and at least one of R1 to R6 may not be H.

前記R1ないしR6は互いに同一であるか、または異なって、それぞれ独立に水素;重水素;メチル基;エチル基;プロピル基;n-プロピル基;イソプロピル基;ブチル基;n-ブチル基;イソブチル基;tert-ブチル基;sec-ブチル基;1-メチル-ブチル基;1-エチル-ブチル基;ペンチル基;n-ペンチル基;イソペンチル基;ネオペンチル基;tert-ペンチル基;ヘキシル基;n-ヘキシル基;1-メチルペンチル基;2-メチルペンチル基;4-メチル-2-ペンチル基;3,3-ジメチルブチル基;及び2-エチルブチル基;からなる群から選択され、前記R1ないしR6の少なくとも1つはHでなくてもよい。 R1 to R6 are the same or different and are each independently selected from the group consisting of hydrogen, deuterium, methyl, ethyl, propyl, n-propyl, isopropyl, butyl, n-butyl, isobutyl, tert-butyl, sec-butyl, 1-methyl-butyl, 1-ethyl-butyl, pentyl, n-pentyl, isopentyl, neopentyl, tert-pentyl, hexyl, n-hexyl, 1-methylpentyl, 2-methylpentyl, 4-methyl-2-pentyl, 3,3-dimethylbutyl, and 2-ethylbutyl, and at least one of R1 to R6 may not be H.

前記R1ないしR6は互いに同一であるか、または異なって、それぞれ独立に水素;重水素;メチル基;エチル基;プロピル基;n-プロピル基;イソプロピル基;ブチル基;n-ブチル基;イソブチル基;tert-ブチル基;及びsec-ブチル基;からなる群から選択され、前記R1ないしR6の少なくとも1つはHでなくてもよい。 R1 to R6 are the same or different and are each independently selected from the group consisting of hydrogen, deuterium, a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an n-propyl group, an isopropyl group, a butyl group, an n-butyl group, an isobutyl group, a tert-butyl group, and a sec-butyl group, and at least one of R1 to R6 may not be H.

本明細書において、前記アルキル基は具体的には メチル基;エチル基;プロピル基;n-プロピル基;イソプロピル基;ブチル基;n-ブチル基;イソブチル基;tert-ブチル基;sec-ブチル基;1-メチル-ブチル基;1-エチル-ブチル基;ペンチル基;n-ペンチル基;イソペンチル基;ネオペンチル基;tert-ペンチル基;ヘキシル基;n-ヘキシル基;1-メチルペンチル基;2-メチルペンチル基;4-メチル-2-ペンチル基;3,3-ジメチルブチル基;2-エチルブチル基;ヘプチル基;n-ヘプチル基;1-メチルヘキシル基;シクロペンチルメチル基;シクロヘキシルメチル基;オクチル基;n-オクチル基;tert-オクチル基;1-メチルヘプチル基;2-エチルヘキシル基;2-プロピルペンチル基;n-ノニル基;2,2-ジメチルヘプチル基;1-エチル-プロピル基;1,1-ジメチル-プロピル基;イソヘキシル基;2-メチルペンチル基;4-メチルヘキシル基;及び5-メチルヘキシル基からなる群から選択できるが、これに限定されるものではない。 In this specification, the alkyl group specifically includes a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an n-propyl group, an isopropyl group, a butyl group, an n-butyl group, an isobutyl group, a tert-butyl group, a sec-butyl group, a 1-methyl-butyl group, a 1-ethyl-butyl group, a pentyl group, an n-pentyl group, an isopentyl group, a neopentyl group, a tert-pentyl group, a hexyl group, an n-hexyl group, a 1-methylpentyl group, a 2-methylpentyl group, a 4-methyl-2-pentyl group, a 3,3-dimethylbutyl group, a 2-ethylbutyl group, a heptyl group, and an n-heptyl group. can be selected from the group consisting of, but is not limited to, 1-methylhexyl group, cyclopentylmethyl group, cyclohexylmethyl group, octyl group, n-octyl group, tert-octyl group, 1-methylheptyl group, 2-ethylhexyl group, 2-propylpentyl group, n-nonyl group, 2,2-dimethylheptyl group, 1-ethyl-propyl group, 1,1-dimethyl-propyl group, isohexyl group, 2-methylpentyl group, 4-methylhexyl group, and 5-methylhexyl group.

本明細書において、前記アリール基は具体的にはフェニル基;ビフェニル基;ターフェニル基;クォーターフェニル基;ナフチル基;アントラセニル基;フェナントレニル基;ピレニル基;ペリレニル基;トリフェニル基;クライセニル基;フルオレニル基;及びトリフェニレニル基からなる群から選択できるが、これに限定されるものではない。 In this specification, the aryl group can be specifically selected from the group consisting of a phenyl group, a biphenyl group, a terphenyl group, a quaterphenyl group, a naphthyl group, an anthracenyl group, a phenanthrenyl group, a pyrenyl group, a perylenyl group, a triphenyl group, a krysenyl group, a fluorenyl group, and a triphenylenyl group, but is not limited thereto.

本明細書において、前記アルコキシ基は具体的にメトキシ;エトキシ;n-プロポキシ;i-プロピルオキシ;n-ブトキシ;イソブトキシ;tert-ブトキシ;sec-ブトキシ;n-ペンチルオキシ;ネオペンチルオキシ;イソペンチルオキシ;n-ヘキシルオキシ;3,3-ジメチルブチルオキシ;2-エチルブチルオキシ;n-オクチルオキシ;n-ノニルオキシ;及びn-デシルオキシからなる群から選択できるが、これに限定されるものではない。 In this specification, the alkoxy group can be specifically selected from the group consisting of methoxy, ethoxy, n-propoxy, i-propyloxy, n-butoxy, isobutoxy, tert-butoxy, sec-butoxy, n-pentyloxy, neopentyloxy, isopentyloxy, n-hexyloxy, 3,3-dimethylbutyloxy, 2-ethylbutyloxy, n-octyloxy, n-nonyloxy, and n-decyloxy, but is not limited thereto.

本明細書において、前記アリールオキシ基は具体的にはフェノキシ基;p-トリルオキシ基;m-トリルオキシ基;3,5-ジメチル-フェノキシ基;2,4,6-トリメチルフェノキシ基;p-tert-ブチルフェノキシ基;3-ビフェニルオキシ基;4-ビフェニルオキシ基;1-ナフチルオキシ基;2-ナフチルオキシ基;4-メチル-1-ナフチルオキシ基;5-メチル-2-ナフチルオキシ基;1-アントリルオキシ基;2-アントリルオキシ基;9-アントリルオキシ基;1-フェナントリルオキシ基;3-フェナントリルオキシ基;及び9-フェナントリルオキシ基からなる群から選択できるが、これに限定されるものではない。 In this specification, the aryloxy group can be specifically selected from the group consisting of a phenoxy group, a p-tolyloxy group, a m-tolyloxy group, a 3,5-dimethyl-phenoxy group, a 2,4,6-trimethylphenoxy group, a p-tert-butylphenoxy group, a 3-biphenyloxy group, a 4-biphenyloxy group, a 1-naphthyloxy group, a 2-naphthyloxy group, a 4-methyl-1-naphthyloxy group, a 5-methyl-2-naphthyloxy group, a 1-anthryloxy group, a 2-anthryloxy group, a 9-anthryloxy group, a 1-phenanthryloxy group, a 3-phenanthryloxy group, and a 9-phenanthryloxy group, but is not limited thereto.

前記化学式1で表される化合物は、2-メチル-1,3-ジオキソラン(2-methyl-1,3-dioxolane)、4-メチル-1,3-ジオキソラン(4-methyl-1,3-dioxolane)、2-エチル-2-メチル-1,3-ジオキソラン(2-ethyl-2-methyl-1,3-dioxolane)、2,2-ジメチル-1,3-ジオキソラン(2,2-dimethyl-1,3-dioxolane)、2,2,4-トリメチル-1,3-ジオキソラン(2,2,4-trimethyl-1,3-dioxolane)及びこれらの組合せからなる群から選択されるものであってもよく、好ましくは2-メチル-1,3-ジオキソラン(2-methyl-1,3-dioxolane)、4-メチル-1,3-ジオキソラン(4-methyl-1,3-dioxolane)、2-エチル-2-メチル-1,3-ジオキソラン(2-ethyl-2-methyl-1,3-dioxolane)及びこれらの組合せからなる群から選択されるものであってもよい。 The compounds represented by the above chemical formula 1 are 2-methyl-1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, 2-ethyl-2-methyl-1,3-dioxolane, 2,2-dimethyl-1,3-dioxolane, 2,2,4-trimethyl ... -trimethyl-1,3-dioxolane) and combinations thereof, and preferably 2-methyl-1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, 2-ethyl-2-methyl-1,3-dioxolane, and combinations thereof.

前記リチウム-硫黄電池用電解液は、電解液の総重量対比0.1重量%以上、0.3重量%以上、0.5重量%以上、0.7重量%以上、0.9重量%以上の前記化学式1で表される化合物を含むことができ、5重量%以下、4.6重量%以下、4.2重量%以下、3.8重量%以下、3.4重量%以下、3重量%以下の前記化学式1で表される化合物を含むことができる。前記リチウム-硫黄電池用電解液が電解液の総重量対比0.1重量%未満の前記化学式1で表される化合物を含むなら、添加される量が少なく、負極保護膜の形成はかすかで、ジオキソラン系誘導体の添加剤の投入による目的とした機能を発揮できなくなる問題が生じ得る。また前記リチウム-硫黄電池用電解液が、電解液の総重量対比5重量%を超える前記化学式1で表される化合物を含むなら、電池に過電圧が誘導され、電池駆動上の問題が生じ得る。 The lithium-sulfur battery electrolyte may contain 0.1 wt% or more, 0.3 wt% or more, 0.5 wt% or more, 0.7 wt% or more, 0.9 wt% or more of the compound represented by Chemical Formula 1, and 5 wt% or less, 4.6 wt% or less, 4.2 wt% or less, 3.8 wt% or less, 3.4 wt% or less, 3 wt% or less of the compound represented by Chemical Formula 1, based on the total weight of the electrolyte. If the lithium-sulfur battery electrolyte contains less than 0.1 wt% of the compound represented by Chemical Formula 1 based on the total weight of the electrolyte, the amount of the compound added is small, the formation of the anode protective film is faint, and the intended function of the dioxolane derivative additive may not be achieved. If the lithium-sulfur battery electrolyte contains more than 5 wt% of the compound represented by Chemical Formula 1 based on the total weight of the electrolyte, an overvoltage may be induced in the battery, causing problems in the operation of the battery.

前記リチウム-硫黄電池用電解液は、前記化学式1で表される化合物は、2-メチル-1,3-ジオキソラン(2-methyl-1,3-dioxolane)であり、前記リチウム-硫黄電池用電解液は電解液の総重量対比0.1ないし5重量%の前記化学式1で表される化合物を含むことができる。 The compound represented by Chemical Formula 1 in the lithium-sulfur battery electrolyte is 2-methyl-1,3-dioxolane, and the lithium-sulfur battery electrolyte may contain 0.1 to 5 wt % of the compound represented by Chemical Formula 1 based on the total weight of the electrolyte.

前記有機溶媒は、線状エーテル化合物、環状エーテル化合物及びこれらの組合せからなる群から選択されるものを含むことができる。 The organic solvent may include a compound selected from the group consisting of linear ether compounds, cyclic ether compounds, and combinations thereof.

前記線状エーテル化合物は、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジブチルエーテル、ジイソブチルエーテル、エチルメチルエーテル、エチルプロピルエーテル、エチルtertブチルエーテル、ジメトキシメタン、トリメトキシメタン、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、ジメトキシプロパン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジビニルエーテル、ジエチレングリコールジビニルエーテル、トリエチレングリコールジビニルエーテル、ジプロピレングリコールジメチレンエーテル、ブチレングリコールエーテル、ジエチレングリコールエチルメチルエーテル、ジエチレングリコールイソプロピルメチルエーテル、ジエチレングリコールブチルメチルエーテル、ジエチレングリコールtertブチルエチルエーテル、エチレングリコールエチルメチルエーテル及びこれらの組合せからなる群から選択されるものを含むことができる。 The linear ether compound may include those selected from the group consisting of dimethyl ether, diethyl ether, dipropyl ether, dibutyl ether, diisobutyl ether, ethyl methyl ether, ethyl propyl ether, ethyl tert-butyl ether, dimethoxymethane, trimethoxymethane, dimethoxyethane, diethoxyethane, dimethoxypropane, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol divinyl ether, diethylene glycol divinyl ether, triethylene glycol divinyl ether, dipropylene glycol dimethylene ether, butylene glycol ether, diethylene glycol ethyl methyl ether, diethylene glycol isopropyl methyl ether, diethylene glycol butyl methyl ether, diethylene glycol tert-butyl ethyl ether, ethylene glycol ethyl methyl ether, and combinations thereof.

前記環状エーテル化合物は、1,3-ジオキソラン、4,5-ジメチル-ジオキソラン、4,5-ジエチル-ジオキソラン、4-メチル-1,3-ジオキソラン、4-エチル-1,3-ジオキソラン、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、2,5-ジメチルテトラヒドロフラン、2,5-ジメトキシテトラヒドロフラン、2-エトキシテトラヒドロフラン、2-メチル-1,3-ジオキソラン、2-ビニル-1,3-ジオキソラン、2,2-ジメチル-1,3-ジオキソラン、2-メトキシ-1,3-ジオキソラン、2-エチル-2-メチル-1,3-ジオキソラン、テトラヒドロピラン、1,4-ジオキサン、1,2-ジメトキシベンゼン、1,3-ジメトキシベンゼン、1,4-ジメトキシベンゼン、イソソルビドジメチルエーテル(isosorbide dimethyl ether)及びこれらの組合せからなる群から選択されたものを含むことができる。 The cyclic ether compounds are 1,3-dioxolane, 4,5-dimethyl-dioxolane, 4,5-diethyl-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, 4-ethyl-1,3-dioxolane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 2,5-dimethyltetrahydrofuran, 2,5-dimethoxytetrahydrofuran, 2-ethoxytetrahydrofuran, 2-methyl-1,3-dioxolane, 2-vinyl-1,3-dioxolane, 2,2-dimethyl-1,3-dioxolane, 2-methoxy-1,3-dioxolane, 2-ethyl-2-methyl-1,3-dioxolane, tetrahydropyran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxybenzene, 1,3-dimethoxybenzene, 1,4-dimethoxybenzene, isosorbide dimethyl ether (isosorbide dimethyl ether) and combinations thereof.

本発明のリチウム-硫黄電池用電解液はリチウム塩を含むことができる。前記リチウム塩は有機溶媒に溶解しやすい物質であって、LiCl、LiBr、LiI、LiClO、LiBF、LiB10Cl10、LiB(Ph)、LiCBO、LiPF、LiCFSO、LiCFCO、LiAsF、LiSbF、LiAlCl、LiSOCH、LiSOCF、LiSCN、LiC(CFSO、LiN(CFSO、LiN(CSO、LiN(SOF)、クロロボランリチウム、低級脂肪族カルボン酸リチウム、テトラフェニルホウ酸リチウム及びリチウムイミドからなる群から選択されるものであることができ、好ましくは、LiN(CFSO(LITFSI)である。 The electrolyte for a lithium-sulfur battery of the present invention may contain a lithium salt, which is a material that is easily dissolved in an organic solvent, such as LiCl, LiBr, LiI, LiClO4 , LiBF4 , LiB10Cl10 , LiB(Ph) 4 , LiC4BO8 , LiPF6 , LiCF3SO3 , LiCF3CO2 , LiAsF6, LiSbF6 , LiAlCl4 , LiSO3CH3 , LiSO3CF3 , LiSCN , LiC (CF3SO2 )3, LiN(CF3SO2 ) 2 , LiN ( C2F5SO2 ) 2 , LiN ( SO2F ) 2 , and LiN( SO2F ) 2 . The lithium borane may be selected from the group consisting of lithium chloroborane, lithium lower aliphatic carboxylate, lithium tetraphenylborate and lithium imide, and is preferably LiN(CF 3 SO 2 ) 2 (LITFSI).

前記リチウム塩の濃度は、電解液に含まれた混合物の正確な組成、塩の溶解度、溶解した塩の伝導性、電池の充電及び放電条件、作業温度及びリチウムバッテリー分野において公知された他の要因のようないくつの要因により、0.1~5.0M、好ましくは0.2~3.0M、さらに具体的には0.5~2.5Mである。0.1M未満に使用すれば電解液の伝導度が低くなって電解液の性能が低下でき、5.0Mを超えて使用すれば電解液の粘度が増加してリチウムイオン(Li)の移動性が減少できる。 The concentration of the lithium salt is 0.1 to 5.0 M, preferably 0.2 to 3.0 M, and more preferably 0.5 to 2.5 M, depending on several factors such as the exact composition of the mixture contained in the electrolyte, the solubility of the salt, the conductivity of the dissolved salt, the charging and discharging conditions of the battery, the operating temperature, and other factors known in the lithium battery field. If less than 0.1 M is used, the conductivity of the electrolyte may decrease, resulting in a decrease in the performance of the electrolyte, and if more than 5.0 M is used, the viscosity of the electrolyte may increase, resulting in a decrease in the mobility of the lithium ions (Li + ).

本発明のリチウム-硫黄電池用電解液は、前述の組成以外に該当技術分野において通常用いられる添加剤をさらに含むことができる。一例として、硝酸リチウム(LiNO)、硝酸カリウム(KNO)、硝酸セシウム(CsNO)、硝酸マグネシウム(Mg(NO)2)、硝酸バリウム(Ba(NO)2)、亜硝酸リチウム(LiNO)、亜硝酸カリウム(KNO)、亜硝酸セシウム(CsNO)及びこれらの組合せからなる群から選択されたものを含むことができる。 The electrolyte for lithium-sulfur batteries of the present invention may further include additives commonly used in the relevant technical field in addition to the above-mentioned composition, such as lithium nitrate (LiNO 3 ), potassium nitrate (KNO 3 ), cesium nitrate (CsNO 3 ), magnesium nitrate (Mg(NO 3 ) 2 ), barium nitrate (Ba(NO 3 ) 2 ), lithium nitrite (LiNO 2 ), potassium nitrite (KNO 2 ), cesium nitrite (CsNO 2 ), and combinations thereof.

本発明によるリチウム-硫黄電池用電解液の製造方法は、本発明において特に限定せず、当業界において公知の通常の方法により製造することができる。 The method for producing the electrolyte for lithium-sulfur batteries according to the present invention is not particularly limited in the present invention, and it can be produced by a conventional method known in the industry.

リチウム-硫黄電池
本発明によるリチウム-硫黄電池は正極;負極;前記正極と負極との間に介在した分離膜;及び電解液;を含み、前記電解液として本発明によるリチウム-硫黄電池用電解液を含む。
Lithium-Sulfur Battery The lithium-sulfur battery according to the present invention comprises a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte, the electrolyte comprising the lithium-sulfur battery electrolyte according to the present invention.

前記正極は、正極集電体と前記正極集電体の一面または両面に塗布された正極活物質層とを含むことができる。 The positive electrode may include a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer applied to one or both sides of the positive electrode current collector.

前記正極集電体は正極活物質を支持し、当該電池に化学的変化を誘発せず高い導電性を有するものであれば特に限定されるものではない。例えば、銅、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタニウム、パラジウム、焼成炭素、銅やステンレススチールの表面にカーボン、ニッケル、銀などで表面処理したもの、アルミニウム-カドミウム合金などが用いることができる。 The positive electrode current collector is not particularly limited as long as it supports the positive electrode active material, does not induce chemical changes in the battery, and has high conductivity. For example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, palladium, baked carbon, copper or stainless steel surface-treated with carbon, nickel, silver, etc., aluminum-cadmium alloy, etc. can be used.

前記正極集電体は、その表面に微細な凹凸を形成して正極活物質との結合力を強化させることができ、フィルム、シート、箔、メッシュ、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体など様々な形態を用いることができる。 The positive electrode current collector can have fine irregularities on its surface to strengthen the bonding force with the positive electrode active material, and can be in various forms such as a film, sheet, foil, mesh, net, porous body, foam, or nonwoven fabric.

前記正極活物質層は正極活物質、バインダー及び導電材を含むことができる。 The positive electrode active material layer may include a positive electrode active material, a binder, and a conductive material.

前記正極活物質は硫黄元素(Elemental sulfur、S)、有機硫黄化合物Li(n≧1)及び炭素-硫黄ポリマー((C:x=2.5~50、n≧2)からなる群から選択された1種以上であってもよい。好ましくは無機硫黄(S)を用いることができる。 The positive electrode active material may be at least one selected from the group consisting of elemental sulfur (S 8 ), an organic sulfur compound Li 2 S n (n≧1), and a carbon-sulfur polymer ((C 2 S x ) n : x=2.5 to 50, n≧2). Preferably, inorganic sulfur (S 8 ) can be used.

前記正極活物質に含まれる硫黄の場合、単独では電気伝導性がないため、炭素材のような伝導性素材と複合化して用いられる。これにより、前記硫黄は硫黄-炭素複合体の形態で含まれ、好ましくは、前記正極活物質は硫黄-炭素複合体である。 The sulfur contained in the positive electrode active material does not have electrical conductivity by itself, so it is used in combination with a conductive material such as a carbon material. As a result, the sulfur is contained in the form of a sulfur-carbon composite, and preferably, the positive electrode active material is a sulfur-carbon composite.

前記硫黄-炭素複合体に含まれる炭素は、多孔性炭素材で前記硫黄が均一、かつ安定的に固定される骨格を提供し、硫黄の低い電気伝導度を補完して電気化学反応が円滑に進行できるようにする。 The carbon contained in the sulfur-carbon composite provides a porous carbon material with a framework in which the sulfur is uniformly and stably fixed, and complements the low electrical conductivity of sulfur, allowing the electrochemical reaction to proceed smoothly.

前記多孔性炭素材は一般的に様々な炭素材質の前駆体を炭化させることで製造することができる。前記多孔性炭素材は内部に一定でない気孔を含み、前記気孔の平均直径は1ないし200nmの範囲であり、気孔度または空隙率は多孔性炭素材の全体積の10ないし90%の範囲である。万一、前記気孔の平均直径が前記範囲未満の場合、気孔サイズが分子レベルに過ぎず硫黄の含浸が不可能であり、逆に前記範囲を超える場合、多孔性炭素材の機械的強度が弱化し、電極の製造工程に適用するに好ましくない。 The porous carbon material can generally be produced by carbonizing various carbon precursors. The porous carbon material contains non-uniform pores, the average diameter of the pores is in the range of 1 to 200 nm, and the porosity or void ratio is in the range of 10 to 90% of the total volume of the porous carbon material. If the average diameter of the pores is less than the range, the pore size is only at the molecular level and impregnation with sulfur is impossible, and conversely, if it exceeds the range, the mechanical strength of the porous carbon material is weakened, making it unsuitable for application to the electrode manufacturing process.

前記多孔性炭素材の形態は球形、棒形、針状、板状、チューブ型、またはバルク型であって、リチウム-硫黄電池に通常用いられるものであれば制限なく使用することができる。 The shape of the porous carbon material may be spherical, rod-shaped, needle-shaped, plate-shaped, tubular, or bulk-shaped, and any shape commonly used in lithium-sulfur batteries may be used without restriction.

前記多孔性炭素材は、多孔性構造であるか、比表面積の高いものであって、当業界において通常用いられるものであればいずれもかまわない。例えば、前記多孔性炭素材としてはグラファイト(graphite);グラフェン(graphene);デンカブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック;単層カーボンナノチューブ(SWCNT)、多層カーボンナノチューブ(MWCNT)などのカーボンナノチューブ(CNT);グラファイトナノファイバー(GNF)、カーボンナノファイバー(CNF)、活性化カーボンファイバー(ACF)などの炭素繊維;天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛などの黒鉛及び活性炭素からなる群から選択される1種以上であるが、これに限らない。 The porous carbon material may be any material that has a porous structure or a high specific surface area and is commonly used in the art. For example, the porous carbon material may be at least one selected from the group consisting of graphite, graphene, carbon black such as denka black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black, carbon nanotubes (CNT) such as single-walled carbon nanotubes (SWCNT) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNT), carbon fibers such as graphite nanofibers (GNF), carbon nanofibers (CNF), and activated carbon fibers (ACF), graphite such as natural graphite, artificial graphite, and expanded graphite, and activated carbon, but is not limited thereto.

前記硫黄-炭素複合体の製造方法は本発明において特に限定せず、当業界において通常用いられる方法を用いることができる。 The method for producing the sulfur-carbon composite is not particularly limited in the present invention, and any method commonly used in the industry can be used.

前記正極は前記正極活物質以外に遷移金属元素、IIIA族元素、IVA族元素、これらの元素の硫黄化合物、及びこれらの元素と硫黄の合金の中から選択される1つ以上の添加剤をさらに含むことができる。 In addition to the positive electrode active material, the positive electrode may further include one or more additives selected from transition metal elements, Group IIIA elements, Group IVA elements, sulfur compounds of these elements, and alloys of these elements with sulfur.

前記遷移金属元素としてはSc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、AuまたはHgなどが含まれ、前記IIIA族元素としてはAl、Ga、In、Tiなどが含まれ、前記IVA族元素としてはGe、Sn、Pbなどが含まれ得る。 The transition metal elements include Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au, or Hg, etc., the IIIA group elements include Al, Ga, In, Ti, etc., and the IVA group elements can include Ge, Sn, Pb, etc.

前記導電材は、電解液と正極活物質とを電気的に連結させ、集電体(current collector)から電子が正極活物質まで移動する経路の役割を果たす物質であって、導電性を有するものであれば制限なく用いることができる。 The conductive material electrically connects the electrolyte and the positive electrode active material and serves as a path through which electrons move from the current collector to the positive electrode active material. Any conductive material can be used without restriction.

例えば、前記導電材としては天然黒鉛、人造黒鉛などの黒鉛;スーパーP(Super-P)、デンカブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック;カーボンナノチューブ、フラーレンなどの炭素誘導体;炭素繊維、金属繊維などの伝導性繊維;フッ化カーボン;アルミニウム、ニッケル粉末などの金属粉末またはポリアニリン、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリピロールなどの導電性高分子を単独または混合して用いることができる。 For example, the conductive material may be graphite such as natural graphite or artificial graphite; carbon black such as Super-P, denka black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, or thermal black; carbon derivatives such as carbon nanotubes or fullerene; conductive fibers such as carbon fibers or metal fibers; carbon fluoride; metal powders such as aluminum or nickel powder; or conductive polymers such as polyaniline, polythiophene, polyacetylene, or polypyrrole, either alone or in combination.

前記バインダーは正極活物質を正極集電体に維持させ、正極活物質の間を有機的に連結してこれらの間の結着力をより高めるもので、当該業界において公知の全てのバインダーを用いることができる。 The binder maintains the positive electrode active material on the positive electrode current collector and organically connects the positive electrode active materials to further increase the binding strength between them. Any binder known in the industry can be used.

例えば、前記バインダーはポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene fluoride、PVdF)またはポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene、PTFE)を含むフッ素樹脂系バインダー;スチレン-ブタジエンゴム(Styrene butadiene rubber、SBR)、アクリロニトリル-ブチジエンゴム、スチレン-イソプレンゴムを含むゴム系バインダー;カルボキシメチルセルロース(carboxyl methyl cellulose、CMC)、デンプン、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロースを含むセルロース系バインダー;ポリビニルアルコール(polyvinyl alcohol、PVA)を含むポリアルコール系バインダー;ポリアクリル酸(polyacrylic acid、PAA)を含むポリアクリル系バインダー;ポリエチレン、ポリプロピレンを含むポリオレフィン系バインダー;ポリイミド系バインダー;ポリエステル系バインダー;及びシラン系バインダー;からなる群から選択された1種、2種以上の混合物または共重合体を用いることができる。 For example, the binder may be a fluororesin-based binder including polyvinylidene fluoride (PVdF) or polytetrafluoroethylene (PTFE); a rubber-based binder including styrene-butadiene rubber (SBR), acrylonitrile-butadiene rubber, and styrene-isoprene rubber; a cellulose-based binder including carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, and regenerated cellulose; a polyalcohol-based binder including polyvinyl alcohol (PVA); or a polyacrylic acid (polyacrylic One or a mixture or copolymer of two or more selected from the group consisting of polyacrylic binders including polyacid, PAA; polyolefin binders including polyethylene and polypropylene; polyimide binders; polyester binders; and silane binders can be used.

前記正極の製造方法は本発明において特に限定せず、当業界において通常用いられる方法を用いることができる。一例として、前記正極は正極スラリー組成物を調製した後、これを前記正極集電体の少なくとも一面に塗布することで製造されたものである。 The method for producing the positive electrode is not particularly limited in the present invention, and a method commonly used in the industry can be used. As an example, the positive electrode is produced by preparing a positive electrode slurry composition and then applying the composition to at least one surface of the positive electrode current collector.

前記正極スラリー組成物は前述の正極活物質、導電材及びバインダーを含み、その他の溶媒をさらに含むことができる。 The positive electrode slurry composition contains the positive electrode active material, conductive material, and binder described above, and may further contain other solvents.

前記溶媒としては正極活物質、導電材及びバインダーを均一に分散することができるものを用いる。このような溶媒としては水系溶媒として水が最も好ましく、この際、水は蒸留水(distilled water)、脱イオン水(deionzied water)であってもよい。ただし、必ずしもこれに限定されるものではなく、必要な場合、水と容易に混合可能な低級アルコールを用いることができる。前記低級アルコールとしては、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノールなどがあり、好ましくはこれらは水とともに混合して用いることができる。 The solvent used is one that can uniformly disperse the positive electrode active material, conductive material, and binder. As such a solvent, water is the most preferable aqueous solvent, and in this case, the water may be distilled water or deionized water. However, the solvent is not necessarily limited to this, and if necessary, a lower alcohol that can be easily mixed with water can be used. Examples of the lower alcohol include methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol, etc., and these can be preferably mixed with water.

前記正極において硫黄のローディング量は、1ないし10mAh/cm、好ましくは1ないし6mAh/cmである。 The sulfur loading in the positive electrode is 1 to 10 mAh/cm 2 , preferably 1 to 6 mAh/cm 2 .

前記負極は負極集電体及び前記負極集電体の一面または両面に塗布された負極活物質層を含むことができる。または前記負極はリチウム金属板である。 The negative electrode may include a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer applied to one or both sides of the negative electrode current collector. Alternatively, the negative electrode may be a lithium metal plate.

前記負極集電体は負極活物質層の支持のためのものであり、電池に化学的変化を誘発せずに高い導電性を有するものであれば特に制限せず、銅、アルミニウム、ステンレススチール、亜鉛、チタン、銀、パラジウム、ニッケル、鉄、クロム、これらの合金及びこれらの組合せからなる群から選択することができる。前記ステンレススチールはカーボン、ニッケル、チタンまたは銀で表面処理することができ、前記合金としてはアルミニウム-カドミウム合金を用いることができ、その他にも焼成炭素、導電材で表面処理された非伝導性高分子、または伝導性高分子などを用いることもできる。一般に、負極集電体としては銅薄板を適用する。 The negative electrode current collector is for supporting the negative electrode active material layer, and is not particularly limited as long as it has high conductivity without inducing chemical changes in the battery, and can be selected from the group consisting of copper, aluminum, stainless steel, zinc, titanium, silver, palladium, nickel, iron, chromium, alloys thereof, and combinations thereof. The stainless steel can be surface-treated with carbon, nickel, titanium, or silver, and the alloy can be an aluminum-cadmium alloy, or it can be sintered carbon, a non-conductive polymer surface-treated with a conductive material, or a conductive polymer. Generally, a copper sheet is used as the negative electrode current collector.

また、その形態は、表面に微細な凹凸が形成された/未形成されたフィルム、シート、箔、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体など様々な形態が用いられる。 The material may take a variety of forms, including films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, and nonwoven fabrics, with or without fine irregularities on the surface.

前記負極活物質層は、負極活物質以外に導電材、バインダーなどを含むことができる。この際、前記導電材及びバインダーは前述した内容にしたがう。 The negative electrode active material layer may contain a conductive material, a binder, etc. in addition to the negative electrode active material. In this case, the conductive material and the binder are as described above.

前記負極活物質は、リチウム(Li)を可逆的に挿入(intercalation)または脱挿入(deintercalation)できる物質、リチウムイオンと反応して可逆的にリチウム含有化合物を形成することができる物質、リチウム金属またはリチウム合金を含むことができる。 The negative electrode active material may include a material capable of reversibly intercalating or deintercalating lithium (Li + ), a material capable of reversibly forming a lithium-containing compound by reacting with lithium ions, lithium metal, or a lithium alloy.

前記リチウムイオン(Li)を可逆的に挿入または脱挿入することができる物質は、例えば結晶質炭素、非晶質炭素、またはこれらの混合物である。リチウムイオン(Li)と反応して可逆的にリチウム含有化合物を形成することができる物質は、例えば、酸化錫、窒化チタンまたはシリコンである。前記リチウム合金は、例えば、リチウム(Li)とナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)、フランシウム(Fr)、ベリリウム(Be)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)、ラジウム(Ra)、アルミニウム(Al)及び錫(Sn)からなる群から選択される金属の合金である。 The material capable of reversibly inserting or deintercalating the lithium ion (Li + ) is, for example, crystalline carbon, amorphous carbon, or a mixture thereof. The material capable of reversibly forming a lithium-containing compound by reacting with the lithium ion (Li + ) is, for example, tin oxide, titanium nitride, or silicon. The lithium alloy is, for example, an alloy of lithium (Li) and a metal selected from the group consisting of sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), francium (Fr), beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba), radium (Ra), aluminum (Al), and tin (Sn).

好ましくは、負極活物質はリチウム金属であることができ、具体的にはリチウム金属薄膜またはリチウム金属粉末の形態である。 Preferably, the negative electrode active material can be lithium metal, specifically in the form of a lithium metal thin film or lithium metal powder.

前記負極活物質の形成方法は特に限定されず、当業界において通常用いられる層または膜の形成方法を用いることができる。例えば、圧着、コーティング、蒸着などの方法を用いることができる。また、集電体にリチウム薄膜がない状態で電池を組立てた後、初期充電により金属板上に金属リチウム薄膜が形成される場合も本発明の負極に含まれる。 The method for forming the negative electrode active material is not particularly limited, and any method for forming a layer or film commonly used in the industry can be used. For example, methods such as compression bonding, coating, and vapor deposition can be used. In addition, the negative electrode of the present invention also includes a case where a thin metallic lithium film is formed on a metal plate by initial charging after a battery is assembled without a thin lithium film on the current collector.

前記電解液は、それを媒介に前記正極と負極において電気化学的酸化または還元反応を引き起こすためのものであり、前述した内容にしたがう。 The electrolyte is used as a medium to induce an electrochemical oxidation or reduction reaction at the positive and negative electrodes, as described above.

前記電解液の注入は、最終製品の製造工程及び要求物性により、リチウム-硫黄電池の製造工程のうち適切な段階で行われる。すなわち、リチウム-硫黄電池の組立て前または組立ての最終段階などで適用される。 The electrolyte is injected at an appropriate stage in the lithium-sulfur battery manufacturing process depending on the manufacturing process and required properties of the final product. That is, it is applied before or at the final stage of assembly of the lithium-sulfur battery.

前記正極と負極との間には通常の分離膜が介在できる。前記分離膜は電極を物理的に分離する機能を有する物理的な分離膜であって、通常の分離膜として用いられるものであれば特に制限なく使用可能であり、特に電解液のイオン移動に対して低抵抗で、かつ電解液含湿能に優れるものが好ましい。 A conventional separation membrane can be interposed between the positive and negative electrodes. The separation membrane is a physical separation membrane that has the function of physically separating the electrodes, and can be used without any particular restrictions as long as it is a membrane that is used as a conventional separation membrane. In particular, it is preferable for the membrane to have low resistance to the ion movement of the electrolyte and excellent electrolyte moisture retention.

また、前記分離膜は、前記正極と負極とを互いに分離または絶縁させ、正極と負極との間にリチウムイオン輸送を可能にするもので、多孔性非伝導性または絶縁性物質からなり得る。前記分離膜は通常、リチウム-硫黄電池において分離膜として用いられるものであれば、特に制限なく使用可能である。前記分離膜はフィルムのような独立した部材であってもよく、正極及び/または負極に付加されたコーティング層であってもよい。 The separator separates or insulates the positive electrode and the negative electrode from each other and allows lithium ions to be transported between the positive electrode and the negative electrode, and may be made of a porous non-conductive or insulating material. Any separator that is typically used as a separator in a lithium-sulfur battery may be used without any particular limitations. The separator may be an independent member such as a film, or may be a coating layer added to the positive electrode and/or the negative electrode.

前記分離膜は多孔性基材からなり得るが、前記多孔性基材は通常リチウム-硫黄電池に用いられる多孔性基材であれば全て使用可能であり、多孔性高分子フィルムを単独でまたはこれらを積層して用いることができ、例えば、高融点のガラス繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維などからなる不織布またはポリオレフィン系多孔性膜を用いることができるが、これに限定されるものではない。 The separator may be made of a porous substrate, which may be any porous substrate typically used in lithium-sulfur batteries. A porous polymer film may be used alone or in combination. For example, a nonwoven fabric or polyolefin-based porous membrane made of high-melting-point glass fiber, polyethylene terephthalate fiber, etc. may be used, but is not limited thereto.

前記多孔性基材の材質としては、本発明において特に限定せず、通常リチウム-硫黄電池に用いられる多孔性基材であれば全て使用可能である。例えば、前記多孔性基材は、ポリエチレン(polyethylene)、ポリプロピレン(polypropylene)などのポリオレフィン(polyolefin)、ポリエチレンテレフタレート(polyethyleneterephthalate)、ポリブチレンテレフタレート(polybutyleneterephthalate)などのポリエステル(polyester)、ポリアミド(polyamide)、ポリアセタール(polyacetal)、ポリカーボネート(polycarbonate)、ポリイミド(polyimide)、ポリエーテルエーテルケトン(polyetheretherketone)、ポリエーテルスルホン(polyethersulfone)、ポリフェニレンオキシド(polyphenyleneoxide)、ポリフェニレンスルファイド(polyphenylenesulfide)、ポリエチレンナフタレート(polyethylenenaphthalate)、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene)、ポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene fluoride)、ポリ塩化ビニル(polyvinyl chloride)、ポリアクリロニトリル(polyacrylonitrile)、セルロース(cellulose)、ナイロン(nylon)、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール(poly(p-phenylene benzobisoxazole))及びポリアリレート(polyarylate)からなる群から選択された1種以上の材質を含むことができる。 The material of the porous substrate is not particularly limited in the present invention, and any porous substrate typically used in lithium-sulfur batteries can be used. For example, the porous substrate may be a polyolefin such as polyethylene or polypropylene, a polyester such as polyethylene terephthalate or polybutylene terephthalate, a polyamide, polyacetal, polycarbonate, or polyimide. Polyimide, polyetheretherketone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyethylene naphthalate, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride It may include one or more materials selected from the group consisting of polyvinyl fluoride, polyacrylonitrile, cellulose, nylon, poly(p-phenylene benzobisoxazole) and polyarylate.

前記多孔性基材の厚さは特に限定されないが、1ないし100μm、好ましくは5ないし50μmである。前記多孔性基材の厚さ範囲が前述の範囲に限定されるものではないが、厚さが前述の下限より薄すぎる場合には機械的物性が低下し、電池の使用中に分離膜が容易に損傷されることがある。 The thickness of the porous substrate is not particularly limited, but is 1 to 100 μm, preferably 5 to 50 μm. The thickness range of the porous substrate is not limited to the above range, but if the thickness is less than the above lower limit, the mechanical properties may be deteriorated and the separator may be easily damaged during use of the battery.

前記多孔性基材に存在する気孔の平均直径及び気孔度また特に限定されないが、それぞれ0.1ないし50μm及び10ないし95%である。 The average diameter and porosity of the pores present in the porous substrate are also not particularly limited, but are 0.1 to 50 μm and 10 to 95%, respectively.

本発明によるリチウム-硫黄電池は、一般的な工程である巻取り(winding)以外にも、分離膜と電極との積層(lamination、stack)及び折り畳み(folding)工程が可能である。 In addition to the common winding process, the lithium-sulfur battery according to the present invention can also be manufactured through lamination, stacking and folding processes of the separator and electrodes.

前記リチウム-硫黄電池の形状は特に限定されず、円筒形、積層型、コイン形など様々な形状とすることができる。 The shape of the lithium-sulfur battery is not particularly limited, and it can be in a variety of shapes, including cylindrical, stacked, and coin shapes.

以下、本発明の理解に役立つために好ましい実施例を提示するが、下記の実施例は、本発明をより容易に理解するために提供されるものであるだけで、本発明がこれに限定されるものではない。 The following are preferred examples to aid in understanding the present invention. However, the following examples are provided merely to facilitate understanding of the present invention, and the present invention is not limited thereto.

実施例:リチウム-硫黄電池の製造
リチウム-硫黄電池用電解液の製造:製造例1ないし24
[製造例1]
有機溶媒である1,3-ジオキソラン(1,3-dioxolane)と1,2-ジメトキシエタン(1,2-dimethoxyethane)を1:1の体積比(v/v)で混合及び添加剤として2-メチル-1,3-ジオキソラン(2-methyl-1,3-dioxolane)0.5重量%を添加し、1Mのリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)と1重量%のLiNOを溶解してリチウム-硫黄電池用電解液を製造した。
Example: Preparation of lithium-sulfur battery Preparation of electrolyte for lithium-sulfur battery: Preparation Examples 1 to 24
[Production Example 1]
An organic solvent, 1,3-dioxolane and 1,2-dimethoxyethane, were mixed in a volume ratio (v/v) of 1:1, and 0.5 wt % of 2-methyl-1,3-dioxolane was added as an additive. 1M of lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI) and 1 wt % of LiNO3 were dissolved in the mixture to prepare an electrolyte for a lithium-sulfur battery.

[製造例2ないし7]
添加剤である2-メチル-1,3-ジオキソランの添加重量比を下記表1のように異にしたことを除いては、前記製造例1と同様の方法でリチウム-硫黄電池用電解液を製造した。
[Production Examples 2 to 7]
The electrolyte for the lithium-sulfur battery was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that the weight ratio of the additive 2-methyl-1,3-dioxolane was changed as shown in Table 1 below.

[製造例8ないし14]
添加剤として4-メチル-1,3-ジオキソラン(4-methyl-1,3-dioxolane)を用い、添加重量比を下記表1のように異にしたことを除いては、前記製造例1と同様の方法でリチウム-硫黄電池用電解液を製造した。
[Production Examples 8 to 14]
An electrolyte solution for a lithium-sulfur battery was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that 4-methyl-1,3-dioxolane was used as an additive in a weight ratio as shown in Table 1 below.

[製造例15ないし21]
添加剤として2-エチル-2-メチル-1,3-ジオキソラン(2-ethyl-2-methyl-1,3-dioxolane)を用い、添加重量比を下記表1のように異にしたことを除いては、前記製造例1と同様の方法でリチウム-硫黄電池用電解液を製造した。
[Production Examples 15 to 21]
An electrolyte solution for a lithium-sulfur battery was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that 2-ethyl-2-methyl-1,3-dioxolane was used as an additive in a weight ratio as shown in Table 1 below.

[製造例22]
添加剤を用いていないことを除いては、前記製造例1と同様の方法でリチウム-硫黄電池用電解液を製造した。
[Production Example 22]
An electrolyte for a lithium-sulfur battery was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that no additive was used.

[製造例23及び24]
添加剤として1,3-ジオキソランを下記表1の重量比でさらに添加したことを除いては、前記製造例1と同様の方法でリチウム-硫黄電池用電解液を製造した。
[Production Examples 23 and 24]
An electrolyte for a lithium-sulfur battery was prepared in the same manner as in Preparation Example 1, except that 1,3-dioxolane was further added as an additive in the weight ratio shown in Table 1 below.

リチウム-硫黄電池の製造:実施例1ないし21及び比較例1ないし3
[実施例1]
水を溶媒とし、正極活物質と硫黄-炭素複合体、導電材及びバインダーを87.5:5:7.5の割合で混合して正極活物質スラリーを製造した。この際、硫黄-炭素複合体は、硫黄とカーボンナノチューブ(CNT)を75:25の重量比で混合して製造した。また導電材としてはデンカブラックを、バインダーとしてはスチレン-ブタジエンゴム/カルボキシメチルセルロース(SBR:CMC=70:30、重量比)を混合して、正極スラリー組成物を製造した。
Fabrication of Lithium-Sulfur Batteries: Examples 1 to 21 and Comparative Examples 1 to 3
[Example 1]
A positive electrode active material slurry was prepared by mixing a positive electrode active material, a sulfur-carbon composite, a conductive material, and a binder in a ratio of 87.5:5:7.5 with water as a solvent. The sulfur-carbon composite was prepared by mixing sulfur and carbon nanotubes (CNTs) in a weight ratio of 75:25. In addition, a positive electrode slurry composition was prepared by mixing denka black as a conductive material and styrene-butadiene rubber/carboxymethyl cellulose (SBR:CMC=70:30, weight ratio) as a binder.

前記正極活物質スラリーをアルミニウム集電体の一面に塗布した後、100℃で乾燥した後圧延して気孔度68%及びローディング量5.6mAh/cmの正極を製造した。 The positive electrode active material slurry was applied to one side of an aluminum current collector, dried at 100° C., and rolled to prepare a positive electrode having a porosity of 68% and a loading capacity of 5.6 mAh/cm 2 .

負極としては厚さ45μmのリチウム金属を用いた。 A 45 μm thick lithium metal was used as the negative electrode.

前記製造された正極と負極とを対面するように位置させた後に、厚さ16μm及び気孔度45%のポリエチレン分離膜を正極と負極との間に介在して電極組立て体を製造した。その後、前記電極組立て体をケース内部に位置させた後、ケース内部へ前記製造例1のリチウム-硫黄電池用電解液を注入してリチウム-硫黄電池を製造した。 The manufactured positive and negative electrodes were placed facing each other, and a polyethylene separator having a thickness of 16 μm and a porosity of 45% was interposed between the positive and negative electrodes to manufacture an electrode assembly. The electrode assembly was then placed inside a case, and the lithium-sulfur battery electrolyte of Manufacturing Example 1 was injected into the case to manufacture a lithium-sulfur battery.

[実施例2ないし21]
リチウム-硫黄電池用電解液として前記製造例2ないし21の電解液を用いたことを除いては、実施例1と同様の方法でリチウム-硫黄電池を製造した。
[Examples 2 to 21]
A lithium-sulfur battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the electrolyte solutions of Preparation Examples 2 to 21 were used as the lithium-sulfur battery electrolyte solutions.

[比較例1ないし3]
リチウム-硫黄電池用電解液として前記製造例22ないし24の電解液を用いたことを除いては、実施例1と同様の方法でリチウム-硫黄電池を製造した。
[Comparative Examples 1 to 3]
A lithium-sulfur battery was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the electrolyte solutions of Preparation Examples 22 to 24 were used as the lithium-sulfur battery electrolyte solutions.

実験例1:電池の寿命特性の評価
前記実施例1ないし21及び比較例1ないし3により製造されたリチウム-硫黄電池について、充放電サイクルの繰り返しを通じて電池の寿命特性を評価した。評価結果は下記表3に示す。
Experimental Example 1: Evaluation of Battery Life Characteristics The life characteristics of the lithium-sulfur batteries prepared according to Examples 1 to 21 and Comparative Examples 1 to 3 were evaluated by repeating charge and discharge cycles. The evaluation results are shown in Table 3 below.

具体的には、リチウム-硫黄電池に対して25℃の電池駆動温度条件においてCCモードで0.1Cで1.8Vまで放電及び0.1Cで2.5Vまで充電を2回繰り返した後、0.2Cで充電及び放電を1回繰り返し、0.3C充電/0.5C放電を200サイクルまで繰り返して電池の寿命特性を評価した。 Specifically, the lithium-sulfur battery was discharged twice at 0.1C to 1.8V and charged twice at 0.1C to 2.5V in CC mode at a battery operating temperature of 25°C, then charged and discharged once at 0.2C, and charged and discharged at 0.3C/0.5C for up to 200 cycles to evaluate the battery life characteristics.

前記電池寿命特性評価では、0.3C充電/0.5C放電を始めるサイクルにおける放電容量対比当該サイクルにおける放電容量の割合(%)を維持率(Retention)に定義し、また寿命を評価するために維持率(Retention)(%)が80%になったときのサイクル数を下記表3のように示す。 In the battery life characteristic evaluation, the retention rate is defined as the ratio (%) of the discharge capacity at that cycle to the discharge capacity at the start of the 0.3C charge/0.5C discharge cycle, and the number of cycles at which the retention rate (%) reaches 80% to evaluate the battery life is shown in Table 3 below.

前記表3の結果を通じて、電解液添加剤としてジオキソラン系誘導体のうち「2-メチル-1,3-ジオキソラン」を含む実施例1ないし7のリチウム-硫黄電池は、「電解液添加剤を全く含まない比較例1」または「電解液添加剤として1,3-ジオキソランを含む比較例2及び3」に比べて、サイクルが繰り返されても容量維持率が高く維持され、優れた電池寿命特性を有することを確認することができた。 From the results in Table 3, it was confirmed that the lithium-sulfur batteries of Examples 1 to 7, which contain the dioxolane derivative 2-methyl-1,3-dioxolane as an electrolyte additive, maintain a high capacity retention rate even after repeated cycles and have excellent battery life characteristics, compared to Comparative Example 1, which contains no electrolyte additive, or Comparative Examples 2 and 3, which contain 1,3-dioxolane as an electrolyte additive.

具体的に、電解液添加剤としてジオキソラン系誘導体である「2-メチル-1,3-ジオキソラン」を含む実施例1ないし7は少なくとも61サイクルに達してから維持率(Retention)が80%に達することが分かった。しかし、前記比較例1ないし3の場合には47サイクル以前に既に80%維持率(Retention)に達して充放電による容量維持率が著しく低下することが確認できた。 Specifically, it was found that in Examples 1 to 7, which contain the dioxolane derivative 2-methyl-1,3-dioxolane as an electrolyte additive, the retention rate reaches 80% after at least 61 cycles. However, in the case of Comparative Examples 1 to 3, it was confirmed that the retention rate reaches 80% before 47 cycles, and the capacity retention rate due to charging and discharging is significantly reduced.

特に、電解液添加剤である「2-メチル-1,3-ジオキソラン」を電解液の総重量対比0.1ないし5重量%含む実施例1ないし5の場合、100サイクル以上の充放電が進行したにもかかわらず、80%以上の容量維持率を示し、優れた寿命特性を有することが確認できた。 In particular, in the case of Examples 1 to 5, which contain the electrolyte additive "2-methyl-1,3-dioxolane" at 0.1 to 5% by weight relative to the total weight of the electrolyte, it was confirmed that the capacity retention rate was 80% or more even after more than 100 charge/discharge cycles, and that the battery had excellent life characteristics.

また、電解液添加剤として「4-メチル-1,3-ジオキソラン」及び「2-エチル-2-メチル-1,3-ジオキソラン」をそれぞれ電解液の総重量対比0.1ないし5重量%を含むように用いた実施例8ないし12または実施例15ないし19の場合が、5重量%を超えて添加剤を投入した場合に比べて高い容量維持率で優れた寿命特性を有することが確認できた。 In addition, it was confirmed that in Examples 8 to 12 and Examples 15 to 19, in which "4-methyl-1,3-dioxolane" and "2-ethyl-2-methyl-1,3-dioxolane" were used as electrolyte additives at 0.1 to 5 wt % of the total weight of the electrolyte, respectively, they had higher capacity retention and excellent life characteristics compared to the cases in which the additive was added at more than 5 wt %.

本発明の単なる変形または変更はすべて本発明の範囲に属するものであり、本発明の具体的な保護範囲は添付の特許請求の範囲によって明確になる。 All mere variations or modifications of the present invention are within the scope of the present invention, and the specific scope of protection of the present invention will be defined by the appended claims.

Claims (7)

リチウム塩、有機溶媒及び添加剤を含むリチウム-硫黄電池用電解液であって、
前記添加剤は、下記化学式1で表される化合物を含み、
前記リチウム-硫黄電池用電解液は、電解液の総重量対比0.1ないし4.2重量%の前記化学式1で表される化合物を含む、リチウム-硫黄電池用電解液:
[化学式1]
前記化学式1において、
R1ないしR6は互いに同一であるか、または異なって、それぞれ独立に水素;重水素;置換または非置換したC1ないしC60のアルキル基;置換または非置換したC6ないしC60のアリール基;置換または非置換したC1ないしC60のアルコキシ基;及び置換または非置換したC6ないしC60のアリールオキシ基からなる群から選択され、前記R1ないしR6の少なくとも1つはHではない。
An electrolyte for a lithium-sulfur battery comprising a lithium salt, an organic solvent and an additive,
The additive includes a compound represented by the following formula 1:
The electrolyte for lithium-sulfur batteries includes a compound represented by Chemical Formula 1 in an amount of 0.1 to 4.2 wt % based on the total weight of the electrolyte .
[Chemical Formula 1]
In the above Chemical Formula 1,
R1 to R6 are the same or different and are each independently selected from the group consisting of hydrogen; deuterium; a substituted or unsubstituted C1 to C60 alkyl group; a substituted or unsubstituted C6 to C60 aryl group; a substituted or unsubstituted C1 to C60 alkoxy group; and a substituted or unsubstituted C6 to C60 aryloxy group, wherein at least one of R1 to R6 is not H.
前記R1ないしR6は互いに同一であるか、または異なって、それぞれ独立に水素;重水素;置換または非置換したC1ないしC20のアルキル基;置換または非置換したC6ないしC20のアリール基;置換または非置換したC1ないしC20のアルコキシ基;及び置換または非置換したC6ないしC20のアリールオキシ基からなる群から選択され、前記R1ないしR6の少なくとも1つはHではない、請求項1に記載のリチウム-硫黄電池用電解液。 The electrolyte for a lithium-sulfur battery according to claim 1, wherein R1 to R6 are the same or different and each independently selected from the group consisting of hydrogen; deuterium; a substituted or unsubstituted C1 to C20 alkyl group; a substituted or unsubstituted C6 to C20 aryl group; a substituted or unsubstituted C1 to C20 alkoxy group; and a substituted or unsubstituted C6 to C20 aryloxy group, and at least one of R1 to R6 is not H. 前記R1ないしR6は互いに同一であるか、または異なって、それぞれ独立に水素;重水素;及び置換または非置換したC1ないしC10のアルキル基からなる群から選択され、前記R1ないしR6の少なくとも1つはHではない、請求項1に記載のリチウム-硫黄電池用電解液。 The electrolyte for a lithium-sulfur battery according to claim 1, wherein R1 to R6 are the same or different and are each independently selected from the group consisting of hydrogen; deuterium; and substituted or unsubstituted C1 to C10 alkyl groups, and at least one of R1 to R6 is not H. 前記R1ないしR6は互いに同一であるか、または異なって、それぞれ独立に水素;重水素;メチル基;エチル基;プロピル基;n-プロピル基;イソプロピル基;ブチル基;n-ブチル基;イソブチル基;tert-ブチル基;sec-ブチル基;1-メチル-ブチル基;1-エチル-ブチル基;ペンチル基;n-ペンチル基;イソペンチル基;ネオペンチル基;tert-ペンチル基;ヘキシル基;n-ヘキシル基;1-メチルペンチル基;2-メチルペンチル基;4-メチル-2-ペンチル基;3,3-ジメチルブチル基;及び2-エチルブチル基;からなる群から選択され、前記R1ないしR6の少なくとも1つはHではない、請求項1に記載のリチウム-硫黄電池用電解液。 The electrolyte for a lithium-sulfur battery according to claim 1, wherein R1 to R6 are the same or different and are each independently selected from the group consisting of hydrogen; deuterium; methyl; ethyl; propyl; n-propyl; isopropyl; butyl; n-butyl; isobutyl; tert-butyl; sec-butyl; 1-methyl-butyl; 1-ethyl-butyl; pentyl; n-pentyl; isopentyl; neopentyl; tert-pentyl; hexyl; n-hexyl; 1-methylpentyl; 2-methylpentyl; 4-methyl-2-pentyl; 3,3-dimethylbutyl; and 2-ethylbutyl; and at least one of R1 to R6 is not H. 前記化学式1で表される化合物は、2-メチル-1,3-ジオキソラン(2-methyl-1,3-dioxolane)、4-メチル-1,3-ジオキソラン(4-methyl-1,3-dioxolane)、2-エチル-2-メチル-1,3-ジオキソラン(2-ethyl-2-methyl-1,3-dioxolane)、2,2-ジメチル-1,3-ジオキソラン(2,2-dimethyl-1,3-dioxolane)、2,2,4-トリメチル-1,3-ジオキソラン(2,2,4-trimethyl-1,3-dioxolane)及びこれらの組合せからなる群から選択されるものである、請求項1に記載のリチウム-硫黄電池用電解液。 The electrolyte for lithium-sulfur batteries according to claim 1, wherein the compound represented by the chemical formula 1 is selected from the group consisting of 2-methyl-1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, 2-ethyl-2-methyl-1,3-dioxolane, 2,2-dimethyl-1,3-dioxolane, 2,2,4-trimethyl-1,3-dioxolane, and combinations thereof. 前記化学式1で表される化合物は、2-メチル-1,3-ジオキソラン(2-methyl-1,3-dioxolane)であ、請求項1に記載のリチウム-硫黄電池用電解液。 2. The electrolyte for a lithium-sulfur battery according to claim 1, wherein the compound represented by Formula 1 is 2-methyl-1,3-dioxolane. 正極;
負極;
前記正極と負極との間に介在する分離膜;及び
請求項1ないし請求項のいずれか一項に記載の電解液を含む、リチウム-硫黄電池。
Positive electrode;
Negative electrode;
A lithium-sulfur battery comprising: a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode; and the electrolyte solution according to any one of claims 1 to 6 .
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